В 1700 году началась довольно изнурительная для России Северная война. Весной 1702 года Меншиков и Петр I отправились в Архангельск, а осенью участвовали в осаде Нотебурга. Здесь-то Меншиков и проявил себя впервые на военном поприще. За храбрость и расторопность Петр назначил его комендантом завоеванной крепости, немедленно переименованной в Шлиссельбург. Меншиков развил здесь бурную деятельность: посылал отряды на неприятельскую территорию, не давая покою шведам, хлопотал о постройке кораблей и металлургических заводов. Петр I, уверенный в том, что без флота невозможно удержать устье Невы, поручил ему подыскать место для корабельной верфи, и Меншиков нашел такое место. Нашел на реке Свирь, где стояли леса, пригодные для кораблестроения. Так была основана Олонецкая верфь. И уже в августе 1703 года здесь был спущен на воду первый фрегат — «Штандарт».
Не менее успешно, прямо-таки в рекордный срок, Меншиков справился и со строительством двух заводов — Петровского и Повенецкого, выпускавших корабельные пушки.
В военной кампании 1703–1704 годов, когда русские войска овладели территориями по обоим берегам Невы и вынудили к сдаче гарнизон Нарвы, Меншиков дважды отличился в сражениях. Первый раз это произошло в устье Невы при овладении Неиншанцем. Тогда шведский адмирал Нумеро, еще не зная о том, что город пал и им уже овладели русские войска, вошел с отрядом кораблей в устье реки. Два из них бросили якорь вблизи крепости, за что и поплатились. На рассвете 7 мая 1703 года два русских отряда на лодках в тумане подкрались к шведским кораблям и взяли их на абордаж в считанные минуты. Одним из отрядов командовал Меншиков, другим — сам Петр I. Оба были за этот бой удостоены ордена Андрея Первозванного.
Вторично Меншиков отличился при осаде Нарвы в 1704 году. Петр тогда по его совету использовал военную хитрость. В лагере русских знали, что комендант крепости Горн ждет подкрепления. «Ваше величество, — подсказал Петру Меншиков, — а почему бы нам не послать „подкрепление“ к Горну?» На виду у осажденных в крепости шведов был разыгран «бой» между русскими войсками и, якобы, спешившим на помощь гарнизону крепости «шведским» отрядом. Петр командовал двумя полками русских, переодетых в шведскую форму, а русскими войсками командовал Меншиков. Инсценировка сражения удалась, шведы поверили, открыли ворота и… «шведы» под командой самого Петра I кинулись на спешивший им на выручку гарнизон. За эту удачу Петр I наградил Меншикова княжеским титулом и вотчиной.
В 1703 году Петр назначил Меншикова губернатором Петербурга. Губернатор немедленно занялся укреплением города от нападения с моря, и уже летом 1704 года отбил нападение шведов на Петербург, а позже и на Кронштадт. Награда за это — чин генерал-поручика.
К тому времени шведский король Карл XII перенес свои действия в Польшу, заключившую союз с Россией. Этот союз был выгоден обеим сторонам: польский король рассчитывал с помощью России сохранить корону, а русский царь — вместе с союзником разгромить армию Карла XII.
Осенью 1704 года на помощь Польше были посланы два соединения русских войск. Одно под командованием А. И. Репнина, другое — фельдмаршала Шереметева. Меншиков в этом походе командовал кавалерией. Воевал он здесь отлично и заслужил от польского короля Августа II орден Белого орла.
Зимой 1706 года драчливый Карл XII совершил стремительный марш, шведская армия подошла к Гродно. Находившаяся здесь сорокатысячная группировка российской армии оказалась в окружении, и Петр поручил Меншикову вывести ее из кольца. Меншиков превосходно организовал отход. Карл XII попытался было нагнать отходившие русские отряды и навязать выгодное для себя сражение, но не сумел этого сделать. Обозленный Карл двинул свою армию в Саксонию и попытался принудить польского короля Августа II отказаться от престола в пользу своего союзника Станислава Лещинского. Петр бросил на помощь Августу II конный корпус под командой Меншикова. Соединившись с польскими и саксонскими войсками, генерал-поручик Меншиков нанес шведам поражение у Килиша. Но эта победа не решила, к сожалению, исход кампании в целом. Из-за предательства Августа II русские войска вынуждены были отойти во Львов на зимние квартиры. Тяжесть Северной войны теперь целиком ложилась на плечи России.
В начале 1708 года войска Карла XII снова двинулись на Россию. Чтобы остановить продвижение шведов, Меншикову пришлось проявить не только все свое умение, но и немалую личную храбрость и мужество. В сражении у села Лесное 28 сентября 1708 года, например, когда исход боя грозил поражением, Меншиков сам во главе кавалерии кинулся в атаку и обеспечил победу.